唐军的冒进给了吐蕃军队各个击破的机会。薛仁贵到达河口时击破吐蕃部分部队，然后回撤到乌海城，而郭待封在主力部队出发后并没有在大非岭建立阵地，而是继续前进，刚到乌海地区就被突然出现的吐蕃军队击溃，辎重军粮全部损失，薛仁贵没有了补给也就只好撤退，在大非川遭到吐蕃军队毁灭性打击。此战虽然名为“大非川战役”，实际上胜败决于乌海。乌海(托索湖)自古就是青藏高原上交通要道，文成公主入藏就经过这里，这里海拔在4000米左右。

疾病也让疲惫不堪的唐军战斗力削弱。薛仁贵的部队经历了一个由低海拔向高海拔急速前进的过程。青藏高原本身是一个地形复杂、间有起伏的高原。唐军出发地点当在鄯州(今青海省乐都县)，这里位于河湟谷地，海拔在2300米左右，这个高度上出现高山(原)反应的可能性很小。到了海拔4000米以上的乌海则会有相当一部分人出现高山(原)反应，有发生急性肺水肿、心脏病的危险，而多数人则会眩晕、头痛、心慌、腹泻、疲乏。更何况薛仁贵指挥部队“轻锐倍道”，也就是说快速由低海拔地带推进到海拔较高地带，缺乏适应高原环境的必要时间，而且体力消耗一定很大，这样造成的后果会更加严重。

大非川战役后高宗曾经对薛仁贵说：“有人云卿乌海城下自不击贼，致使失利，朕所恨者，唯此事耳。”这说明薛仁贵当时有消极避战的嫌疑，与其战役初期大胆深入敌境的勇气形成强烈反差。大非川战败，“薛仁贵、郭待封覆我师徒，军人丧气，至今不振”。

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